项目八 现代制造技术简介

1、项目八 现代制造技术简介【项目描述】制造业创造了人类的物质文明，而今天的先进制造技术又是人类物质文明所创造的最伟大的奇迹之一。本项目将带领你到一个神奇的领域中去游览。这个领域与你的关系是如此之密切，以致于你每时每刻都在与它打交道。可是，对于这一领域，你可能又知之甚少，感到十分陌生。对于这一领域的突飞猛进的发展，对它所创造的令人惊异的奇迹与辉煌，你应该有所了解。这个领域就是制造领域。本项目将向您讲述当代先进制造技术的各方面知识,这些内容，将会令你惊叹，让你着迷，鼓励你开拓新的知识疆界，帮助你提高适应新世纪的能力。【学习目标】了解现代制造技术概念【项目内容】了解先进制造工艺技术和制造自动化技术现代

2、科学技术的发展与交叉融合，给制造技术提出了新的要求，也给予了强大支持。因此，涌现了许多先进制造技术。超高速切削、超精密加工、微机械制造等技术近年来有了长足的发展。制造自动化涉及技术：数控技术、工业机器人技术、柔性制造技术，制造自动化涉及技术是机械制造业最重要的基础技术之一。快速响应制造技术主要包括产品的快速设计、快速开发、快速制造及生产系统的快速组成。先进制造技术的许多重要概念都与快速响应密切相关。其中主要有快速成形制造，并行工程、虚拟制造、CIMS、敏捷制造、动态联盟与虚拟公司等。图8-1 汽车后桥齿轮箱加工自动线任务1 先进制造技术概述【任务要求】了解先进制造技术的基本概念、学科内容与发展

3、概况【基本活动】一、先进制造技术的基本概念1、先进制造技术的定义 先进制造技术(AMT)是在传统制造技术基础上不断吸收传统制造技术、信息技术、计算机技术、自动化技术、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高对动态多变的市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称，也是取得理想技术经济效果的制造技术的总称。2、先进制造技术体系结构1994年初，美国联邦科学、工程和技术协调委员会(FCCSET)下属的工业和技术委员会先进制造技术工作组提出将先进制造技术分为三个技术群：主体技术，包括面向制造

4、的设计技术群和制造工艺技术群；支撑技术群和制造基础设施(制造技术环境)。3、先进制造技术的学科内容先进制造技术不是单指加工过程的工艺方法，而是横跨多个学科，包含了从产品设计、加工制造到产品销售、用户服务等整个产品生命周期全过程的所有相关技术，涉及到设计、工艺、加工自动化、管理以及特种加工等多个领域。根据先进制造技术的功能和研究对象，可将先进制造技术归纳如下几个学科方面：（1）先进设计技术产品设计是制造业的灵魂。先进设计技术的主要内容和发展趋势是：1)设计方法现代化 设计方法包括:产品动态分析和设计，产品可靠性、可维护性及安全设计，产品优化设计，快速响应设计，创新设计，智能设计，仿真与虚拟设计，

5、价值工程设计，模块化设计等。 新的设计思想和方法不断出现，如并行设计、面向“X”的设计(Design For X，DFX)、优化设计(Optimal Design)、反求工程技术(Reverse Engineering)等。2)设计手段计算机化表现在广泛应用有限元法、优化设计、计算机辅助设计、反求工程技术、CADCAM一体化技术、工程数据库。当前突出反映在数值仿真或虚拟现实技术在设计中的应用。现代产品建模理论发展，向智能化设计方向发展。3)向全寿命周期设计发展传统的设计只限于产品设计，全寿命周期设计则由简单的、具体的、细节的设计发展为复杂的总体设计和决策，通盘考虑包括：设计、制造、检测、销售、

6、使用、维修、报废等阶段的产品的整个生命周期。4)由单纯考虑技术因素转向综合考虑经济技术、经济与社会因素。（2）先进制造工艺技术 先进制造工艺技术包括精密和超精密加工、精密成形与特种加工技术等几个方面。1)精密、超精密加工技术。指去除工件表面材料，使工件的尺寸、表面性能达到产品要求的技术措施。A、精密加工，精度为 303m，表面粗糙度值为Ra03003m；B、超精密加工，精度为03003 m，表面粗糙度值为Ra03 0005m；C、纳米加工，精度高于 003 m，表面粗糙度值小于Ra 0.005 m。2)精密成形制造技术指从制造工件的毛坯、加工成零件形状向直接制成工件即精密成形或称净成形的方向发

7、展。国际机械加工技术协会预测，到21世纪初，塑性成形与磨削加工相结合，将取代大部分中小零件的切削加工。 3)特种加工技术指那些不属于常规加工范畴的加工，如高能束流(电子束、离子束、激光束)加工、电加工(电解和电火花加工)、超声波加工、高压水加工及多种能源的组合加工。 先进制造工艺技术的一个重要发展趋势是：工艺设计由经验判断走向定量分析，加工工艺由技艺发展为工程科学。（3）制造自动化技术 制造自动化是指用机电设备工具取代或放大人的体力，甚至取代和延伸人的部分智力，自动完成特定的作业，包括物料的存储、运输、加工、装配和检验等各个生产环节的自动化。制造自动化涉及数控技术、工业机器人技术和柔性制造技术

8、，是机械制造业最重要的基础技术之一。1)数控技术包括数控装置，进给系统和主轴系统，数控机床的程序编制。2)工业机器人包括机器人操作机，机器人控制系统，机器人传感器，机器人生产线总体控制。3)柔性制造系统(FMS) 包括FMS的加工系统，FMS的物流系统，FMS的调度与控制，FMS的故障诊断。4)自动检测及信号识别技术包括自动检测CAT，信号识别系统，数据获取，数据处理，特征提取，识别。 5)过程设备工况监测与控制包括过程监视控制系统，在线反馈质量控制。二、先进制造技术的发展趋势 当前先进制造技术的发展趋势大致有以下几个方面： 1、集多学科成果成一个完整的制造体系 先进制造技术是传统制造技术、信

9、息技术、自动化技术与先进的管理科学的结合。它不是若干独立学科的先进技术的简单组合和累加，而是按照新生产组织和管理哲理建立起的体系。2、先进制造技术的动态发展过程 先进制造技术本身是在针对一定的应用目标，不断地吸收各种高新技术逐渐形成，不断发展的新技术，因而其内涵不是绝对的和一成不变的。反映在不同的时期，先进制造技术有其自身的特点。反映在不同的国家和地区，先进制造技术也有其本身重点发展的目标和内容。通过重点内容的发展以实现这个国家和地区制造技术的跨越式发展。3、信息技术对先进制造技术的发展起着越来越重要的作用信息化是当今社会发展的趋势，信息技术正在以人们想象不到的速度向前发展。信息技术正在向制造

10、技术注入和融合，促进着制造技术的不断发展。信息技术应用于先进制造技术，提高了制造技术的技术含量，使传统制造技术发生质的变化。信息技术对制造技术发展，起第一促进作用。在21世纪对先进制造技术的各方面发展将起着更重要的作用。具体地说信息技术促进着设计技术的现代化；加工制造的精密化、快速化；自动化技术的柔性化、智能化；整个制造过程的网络化、全球化。各种先进生产模式的发展，如CIMS、并行工程、敏捷制造、虚拟企业与虚拟制造，也以信息技术的发展为支撑。4、先进制造技术向超精微细领域扩展微型机械、纳米量测、微米纳米加工制造发展使制造工程科学的内容和范围进一步扩大必须用更新、更广的知识来解决这一领域的新课题

11、。5、制造过程的集成化产品的加工、检测、物流、装配过程走向一体化。例如CAD、CAE、CAM使设计、制造成为一体；精密成形技术的发展，使热加工零件接近最终形状、尺寸，它与磨削加工相结合，将覆盖大部分零件的加工，淡化了冷热加工的界限；机器人加工工作站及FMS，使加工过程、检测过程、物流过程融为一体；现代制造系统使得自动化技术与传统工艺密不可分；很多新型材料的配制与成形是同时完成的，很难划清材料应用与制造技术的界限。在生产上专业车间的概念逐渐淡化，将多种不同专业的技术集成在：一台设备、一条生产线、一个工段或车间里的生产方式逐渐增多。6、制造科学与制造技术、生产管理的融合制造科学是从制造工艺、技术发

12、展而来的，是以信息为代表的现代科技与制造结合的产物。制造科学是支撑制造技术理论体系的外在表现。制造技术包含在制造科学之中，制造科学体现在制造技术里。7、绿色制造将成为21世纪制造业的重要特征绿色制造业显得越来越重要，是21世纪制造业的重要特征。绿色制造技术将获得快速的发展。主要体现在：(1)绿色产品设计技术使产品在生命周期符合环保、人类健康、能耗低、资源利用率高的要求。(2)绿色制造技术制造过程对环境负面影响最小，废弃物和有害物质的排放最小，资源利用效率最高。(3)产品的回收和循环再制造例如：汽车等产品的拆卸和回收技术，以及生态工厂的循环式制造技术。8、虚拟现实技术在制造业中越来越多的应用虚拟

13、现实技术(Virtual Reality Technology)主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。虚拟制造技术将从根本上改变了设计、试制、修改设计、组织生产的传统制造模式。做法：在产品真正制出之前，首先在虚拟制造环境中生成软产品原型（Soft Prototype)代替传统的硬样品(Hard Prototype)进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价。效果：缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高系统快速响应市场变化的能力。8、制造全球化(Manufacturing Globalization)先进制造技术的竞争正在导致制造业在全球范围内的重新分布和组合。新的制造模式将不断出

14、现，更强调实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产。制造产品、市场的国际化及全球通信网络的建立，形成国际竞争与协作氛围，21世纪制造国际化是发展的必然趋势。【知识链接】面向知识经济的制造业 随着信息技术和计算机网络技术的发展，各国的经济离不开与国际市场的信息、技术、资源和产品的交换。由此，一方面开阔了企业的市场，另一方面也给企业带来了全球范围的竞争压力。新经济也是全球性经济，生产过程不再局限于一国范围，而是形成“无国界的经济实体”。企业间竞争与合作、开放与限制并存的局面，必将引起世界经济结构与组织结构的重大变化，从而带来制造业的一场革命。没有制造业作为基础，无论哪一个产业都将失去存在和发展的条件

15、。制造技术的水平和制造工业的发达程度突出地反映了一个国家、一个地区的经济实力，人民的生活质量、国防能力和社会的发展程度。一个国家如果不重视发展先进制造技术和制造工业，必然要吃亏、上当、挨打。以下仅举两个比较突出的事例来说明。美国在二战以前一直是制造大国，轿车工业为支柱，在全球制造业中居于执牛耳的地位。 20世纪50年 代以后，因军备需要，偏重高新技术和军用技术发展，放松一般制造业。进入70年代后期，“第三次浪潮论在美国流传开来，认为美国进入“后工业社会”。劳动力将从工业转移到信息行业和服务行业。认为制造业已成为正在走向没落的“夕阳工业”，制造技术的发展受到冷遇。 大学里不再开设制造技术和制造科

16、学课程，也少有相关研究课题。放弃了关于制造工程和制造科学方面的教育和研究工作。所谓“第三次浪潮即信息革命，“后工业社会”就是知识经济社会。这些都是正确的论断。劳动力的第二次大转移也是正在发生的事实。问题出在将制造业视为正在走向没落的“夕阳工业”，过于简单和轻率，不符合其后经济发展的事实。事实证明，知识经济的发展，不是要放弃制造业，而是要按照知识经济的特点和要求来改造制造业，使传统的制造业发展成为先进制造业，为现代社会经济的发展发挥不可替代的作用。“夕阳工业论对于美国制造业和美国经济的负面影响。 20世纪的70-80年代在微电子工业、汽车工业的国际市场竞争中，日本的高质量和高技术含量的产品，如汽

17、车、摩托车、机床、录相机、照相机、电视机等产品以及亚洲和拉美国家的一些廉价产品夺走了相当一部分原属美国产品的国际市场，乃至于部分美国的国内市场。美国机床工业放弃了原已占领的53 的市场，其年产值在12年间从57亿美元跌落到38亿美元。1986年，该国仍有一半机床需要进口。1973年石油危机，日本的节能型轿车大举进入美国，占领了相当一部分美国国内市场。直到90年代初，美国仍有14以上的国内汽车市场被日本汽车占领。在那一段时期，美国的制造业在国际市场竞争中节节败退，物资生产基础遭到严重的削弱，第二、第三产业的比例严重失调，国际贸易逆差剧增，经济空前滑坡，美国公众和舆论界惊呼这种情况“危及美国国家的

18、安全”。美国政府和企业界重新审视其科学技术政策和产业政策，重新认识和评价制造技术和制造业在国民经济中的重要地位和作用。总统委员会的报告指出：“美国在重要的、高速增长的技术市场上失利的个重要原因是美国没有把自已的技术应用到制造业上。”美国开始加强对制造技术的研究与开发，相继实施了一系列振兴制造业的计划，力图夺回昔日的优势，重建新的辉煌。政府、公司与大学联手开展关于制造科学和制造技术的研究、开发与教育工作，建立了一系列工业大学联合研究中心。1991年美国总统布什公布了“国家关键技术计划”，将“制造技术”列入六项关键技术(材料、制造、电子信息、生物工程与生命科学、能源与环境以及航空、航天与地面交通)

19、之中。1994年被定为美国的“制造技术年”，年初，美国商务部提出：制造是工业的基础。美国政府一反过去不介入制造业的惯例，积极支持与推动制造业的发展。将制造技术列为美国财政重点扶植的唯一的领域。美国的“三大汽车公司”(通用、福特和克莱斯勒)以日本汽车公司为对手，研究赶超的主要措施和对策。例如，在20世纪90年代初，三大汽车公司与密西根大学合作，在政府的支持下，开展了一项提高轿车车身点焊总成的精度、降低车门门缝的平均宽度的研究，即所谓“两毫米工程”。对这一项研究所投入的经费达1300多万美元。克林顿总统上台后，对制造工业给予了实质性的支持。提出并实施了振兴美国制造业的六点措施：第一，对先进制造技术

20、的研究和开发提供更多资助，特别是新汽车技术、智能控制和传感器、快速原型设计等制造技术的研究开发计划将得到赞助；第二，支持敏捷制造技术；第三，建立全国制造技术推广中心网；第四，建立各地区的技术促进联盟；第五，促进制造工程教育的发展；第六，促进考虑环境的制造技术的发展。 经过了一段时期的努力奋斗，收到良好的效果，在制造技术基础研究、技术创新、企业重组与协作等方面有了重大改观。一些欧洲报纸称：“由于采用了先进的设计技术手段，美国新设计的汽车在技术上已超过日本和欧洲。”美国的汽车产量于1994年重新超过日本，夺回了部分失去的市场。美国机床的设计和制造水平得到了很大的提高。1994年美国电子行业重新占据

21、领先地位，并总结出有关制造技术的一系列先进的理论、技术和方法，如并行工程、精益生产、敏捷制造和虚拟制造等。从美国这个超级大国在制造技术和制造工业的发展中所走过的弯路和所经历的波折中，我们可以看到：一个现代国家如果忽视了制造技术和制造工业，放松了对于制造技术的研究、开发和对于制造工业的促进，其后果将是何等严重!像美国这样的实力雄厚的经济大国尚且不能承受由此而引起的严重后果，更何况像我国这样的发展中国家。另一个事例是日本东芝公司买给前苏联巨型数控加工机床，该机床加工出来的螺旋桨提高了前苏联航空母舰的速度，大幅度地降低了前苏联潜艇的螺旋桨推进器在水下发出的噪声，大大提高了苏方潜艇的隐密性，增加近距离

22、对美方舰艇发动突然袭击的可能性。美国对日本东芝公司十分恼火。1987年6月30日美国参议院通过一项“制裁东芝机械公司的法案”，禁止这家公司在五年内向美国出口任何产品。在美国的压力下，东芝公司董事长和总经理被迫辞职。当时的日本首相及防卫厅厅长还向美国政府道歉，表明日本将加强对各公司出口的检查，保证不再发生类似事件。这就是曾经轰动一时的所谓“东芝事件”。这个事例从微观上突出地表明了制造技术的具体的成果所具有的重大意义和举足轻重的影响。任务2 先进制造工艺技术【任务要求】了解特种加工、超精密加工、微机械制造、超高速切削和快速原形制造技术【基本活动】制造工艺技术是指将原材料转化成具有一定几何形状、一定

23、材料性能和精度要求可用零件的一切过程和方法的总称。一、特种加工将电、磁、声、光、热等物理及化学能量或与机械能组合，对材料进行加工的新工艺方法。1、特种加工的特点：（1）工具硬度可以低于被加工材料的硬度；（2）主要用其他能量(如电、化学、光、声、热等)去除金属材料，加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力，少变形，精度高。（3）加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。 图8-2 电火花成形机床（4）易于加工复杂型面、微细表面以及柔性、低刚度零件。（5）能获得良好的加工表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区以及毛刺等均比较小。

24、（6）改变传统观念，对结构工艺性重新评价，拓宽传统切削的方法 （7）各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。有的还可用于超精加工、镜面光整加工和纳米级(原子级)加工。因此特种加工适用于各种难切削材料、特殊要求的、精密复杂零件的加工。2、分类：（1）电能与热能：电火花成形与穿孔加工（图8-2）、电火花线切割加工（图8-3）电子束加工（EBM）、等离子体加工（PAM）。 （2）电能与化学能：电解加工（ECM）、电铸加工（ECM）、刷镀加工。（3）电化学能与机械能：电解磨削（ECG）、电解珩磨（ECH）。（4）声能与机械能：超声波加工（图8-4）。（5）光能与热能：激光加工（图8-5）。（6

25、）电能与机械能：离子束加工（IM）。（7）液流能与机械能：水射流切割（WJC）、磨料水喷射加工（AWJC）挤压珩磨（AFH）。（8）表面工艺：电解抛光、化学抛光、电火花表面强化、镀覆、离子束注入渗杂等。【知识链接】特种加工的产生及发展背景 图8-3 火花线切割机床传统的机械加工已有很久的历史，它对人类的生产和物质文明起了极大的作用。例如18世纪70年代就发明了蒸汽机，但苦于制造不出高精度的蒸汽机汽缸，无法推广应用。直到有人创造出和改进了汽缸镗床，解决了蒸汽机主要部件的加工工艺，才使蒸汽机获得广泛应用，引起了世界性的第一次产业革命。事实说明加工方法对新产品的研制、推广和社会经济的发展等起着重大作

26、用。从第一次产业革命以来，到第二次世界大战以前，长达150多年，都靠机械切削加工，没有产生对特种加工的迫切要求，也没有发展特种加工的充分条件。人们的思想一直还局限在18世纪以来传统的用机械能量和切削力来除去多余的金属，以达到加工要求。1943年，苏联拉扎连柯夫妇研究电器开关触点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因，发明了电火花加工方法，用铜丝在淬硬钢上加工出小孔，首次摆脱了传统的切削加工方法，直接利用电能和热能来去除金属，获得“以柔克刚”的效果。上世纪50年代以后，生产发展和科学实验的需要，很多工业部门，要求产品的高精度、高速度、高温、高压、大功率、小型化性能，所用的材料愈来愈难加工，零件形状愈来

27、愈复杂，精度、表面粗糙度和某些特殊要求也愈来愈高，于是产生了特种加工工艺。二、超精密加工1、基本概念 图8-4 超声波加工机床（1）精密加工：尺寸精度100.1m，表面粗糙度Ra0.30.03m，如金刚车、镗、研磨、珩磨、超精加工、砂带磨、镜面磨和冷压加工。精密加工用于精密产品中关键件加工，如精密丝杠、齿轮、蜗轮、导轨、轴承等。（2）超精密加工：尺寸精度0.10.01m，表面粗糙度Ra0.030.05m，如金刚石刀具超精密切削、超精密磨削研磨、超精密特种加工和复合加工。超精密加工用于镜面、精密元件、计量标准元件、大规模和超大规模集成电路的制造。 图8-5激光切割（3）纳米加工：尺寸精度10-3

28、m（1nm），表面粗糙度Ra0.005m。纳米加工主要利用光子、电子、离子加工。2、实现超精密加工的主要技术条件（1）超精密机床，这是首要条件(图8-6)。（2）超精密加工刀具（金刚石刀具）。（3）检测和误差补偿，非接触式测量，原子级测量，在线检测和误差补偿。 图8-6 金刚石车床（4）超稳定的加工环境，恒温、防振、超净和恒湿。三、微机械制造 在机械装置的小型化过程中出现两类机械，即小型机械和微型机械。可以这样划分：10mm1mm为小型机械,用精密加工的方法可以制造出来;1mm1um为微型机械,需要用硅微加工技术等微细加工方法才能制造出来；1um1nm为纳米机械,是分子级的零件,需采用生物工程

29、的方法制造。微型机械不是传统机械的简单微型化，而是指集微型机构、微型传动器以及信号处理和控制电路，甚至外围接口电路、通讯电路和电源等于一体的微型机电系统。因此，微型机械远远超出了传统机械的概念和范畴，是基于现代科学技术，用崭新的思维方法指导的产物。 图8-7 FANUC 微型超精密加工机床 微机械制造主要应用于航空航天、精密仪器、生物医疗等领域。四、超高速切削通常把切削速度比常规高510倍以上的切削叫做超高速切削。切削温度通常随切削速度升高而升高，但超过一定范围后，切削温度反而随切削速度的升高而下降。1、超高速切削的优点（1）切屑形态将从带状演变为片状或碎屑；（2）切削热的95%将被切屑带走；

30、（3）切削力至少降低30%以上；（4）工件非常精密、光洁；（5）工件表面的残留应力也小,直接达到精加工的要求；（6）单位时间材料切削率增加了6倍。超高速切削目前主要用于飞机、汽车及模具工业。超高速切削希望刀具强度高、耐热性能好。超高速机床，是实现超高速切削的前提条件和关键因素。超高速切削对机床的主要要求如下：（1）要有一个适应于超高速运转的主轴部件及其驱动系统。（2）要有一个快速反应的数控伺服系统和进给部件。（3）高压大流量喷射冷却系统。（4）要有一个三刚（静刚度、动刚度、热刚度）特性都很好的机床支承件。常用刀具有：涂层硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼、聚晶金刚石刀具五、快速成形制造技术（R

31、PM）20世纪80年代后期发展起来的快速成形技术(Rapid Prototyping 简称RP) ，是近20年里制造技术领域一次重大突破，对制造行业的影响可与数控技术的出现相比。1、快速成形概念快速成形是在计算机控制下，基于离散堆积原理采用光电热等，固化、烧结、粘结、熔结，使材料逐层或逐点堆积，最终完成零件的成型与制造的技术。它不同于在型腔内成型毛坯，然后切削加工，获得零件的传统方法。2、快速成形特点（1）高度柔性 快速成形技术的最突出特点就是柔性好，它在计算机管理和控制下可以制造出任意复杂形状的零件，把可重编程、重组、连续改变的生产装备用信息方式集成到一个制造系统中。（2）技术的高度集成 快

32、速成形技术是计算机技术、数控技术、激光技术与材料技术的综合集成。在成形概念上，它以离散堆积为指导，在控制上以计算机和数控为基础，以最大的柔性为目标。 （3）设计制造一体化 快速成形技术的另一个显著特点就是CADCAM一体化。由于采用了离散堆积分层制造工艺，能够很好地将CAD、CAM结合起来。（4）快速性 由于激光快速成形是建立在高度技术集成的基础之上，从CAD设计到原型的加工完成只需几小时至几十小时，这一特点尤其适合于新产品的开发与管理。（5）自由成形制造由于传统加工技术的复杂性和局限性，要达到零件的直接制造仍有很大距离。RP技术大大简化了工艺规程、工装准备、装配等过程，很容易实现由产品模型驱

33、动直接制造或称自由制造。（6）材料的广泛性 各种RP 工艺的成形使用的材料也不相同，如有用金属、纸、塑料、光敏树脂、蜡、陶，可将他们结合在一起。3、快速成形分类（1）光固化法（SL）液态光敏树脂计算机控制光束分层逐点扫描树脂表面，使树脂硬化形成薄层，至零件制造完。（2）迭层法（LOM）箔纸计算机控制激光器分层切出轮廓，多余部分切去，再铺一层箔材辗压，粘结，再切割，直至加工完。（3）烧结法（SLS）粉末材料（塑料、金属粉、蜡粉等）计算机控制激光器分层烧结粉末，再重复下一层烧结，直至零件成形。（4）熔融沉积法（FDM）熔融材料（ABS、尼龙或石蜡等）计算机控制喷头喷出熔融材料，按截面形状铺在底版上

34、逐层加工，直至加工。任务3 制造自动化技术【任务要求】了解先进制造自动化技术的基本概念、学科内容和与发展概况【基本活动】一、数字控制与数控技术数字控制（Numerical Control NC）是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程（如加工、测量、装配等）进行可编程控制的自动化方法。数控技术（Numerical Control Technology）是采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。1、数控设备的产生科学技术和社会生产的不断发展，对加工机械产品的生产设备提出了三高（高性能、高精度和高自动化）的要求。为了解决上述问题，一种新型的数字程序控制机床应运而生，它极其有效地解决

35、了上述一系列矛盾，为单件、小批量生产，特别是复杂型面零件提供了自动化加工手段。2、数控设备的发展在第一台数控机床问世至今的50年中，先后经历了电子管（1952年）、晶体管和印刷电路板（1960年）、小规模集成电路（1965年）、小型计算机（1970年）、微处理器或微型计算机（1974年）和基于PC-NC的智能数控系统（90年代后）等六代数控系统。前三代数控系统是属于采用专用控制计算机的硬逻辑（硬线）数控系统，简称NC（Numerical Control），目前已被淘汰。第四代数控系统采用小型计算机取代专用控制计算机，数控的许多功能由软件来实现，故这种数控系统又称为软线数控，即计算机数控系统，简

36、称CNC（Computer Numerical Control）。现在发展了基于PC-NC的第六代数控系统，它充分利用现有PC机的软硬件资源，规范设计新一代数控。在数控系统不断更新换代的同时，数控机床的品种得以不断地发展。数控机床是数控设备的典型代表。数控激光与火焰切割机等数控设备也得到了广泛的应用。3、计算机数控系统组成计算机数控系统由程序输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程控制器（PLC）、主轴控制单元、速度控制单元等组成（图8-8）。 图8-8 计算机数控系统组成4、数控设备的特点数控设备是一种高效能自动化加工设备。与普通设备相比，数控设备具有如下特点。（1）适应性强；（2）精度高，

37、质量稳定；（3）生产率高；（4）能完成复杂型面的加工；（5）减轻劳动强度，改善劳动条件；（6）有利于生产管理。二、工业机器人IR(Industrial Robot)工业机器人是一种可搬运物料、零件、工具或完成多种操作的计算机控制专用机械装置1、机器人组成（1）执行机构执行机构由机座、手臂、手腕和末端执行器组成。末端执行器有机械式、吸附式、和专用工具（如焊枪、喷枪、电钻和电动螺纹拧紧器等）。（2）控制系统（计算机）（3）驱动系统驱动系统是将信号放大，驱动执行机构运动。驱动方式有电气、液压、气动和机械等。2、机器人分类（1）按坐标形式直角坐标式（三个直线坐标）、圆柱坐标式（一个回转轴和二个直线坐标

38、）、极坐标式（二个回转轴和一个直线坐标）和关节式（三个回转轴）。（2）按控制方式点位控制和连续轨迹控制。（3）按驱动方式电力驱动、液压驱动和气压驱动。 图8-9机械手激光焊接车身（4）按信息输入人操作机械手（图8-9）、固定程序机器人、可变程序机器人、程序控制机器人、示教再现机器人和智能机器人。三、柔性制造系统(Flexible Manufacturing System)柔性制造系统简称为FMS，是由数控设备、物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。FMS包括多个柔性制造单元能根据制造任务或生产的变化迅速进行调整适用于多品种中小批量生产。1、组成（1）加工系统：数控机床、加工中心、

39、柔性制造单元、其它设备（2）物料系统：自动化立体仓库、传送带、自动导引小车、工业机器人、上下料托盘、交换工作台。（3）计算机控制系统运行控制、刀具管理、质量控制，数据管理和网络通信（4）附属设备：还包括刀具监控和管理系统，冷却系统、切屑系统等。2、工作方式计算机控制系统的统一管理下，运料小车将零件送到制造单元，机器人拾取，安装在CNC机床上，自动加工；加工后机器人把零件返回运料小车，送下个CNC机床，至加工完成；机器人卸下零件，送自动检测站，检测合格，送立体仓库3、FMS的分类按系统的规模和结构，FMS可分为：（1）柔性制造装置（FMU）是以一台加工中心为主的系统。装备有托盘库、自动托盘交换站

40、或机器人、一个自动化工具交换装置。（2）柔性制造单元（FMC）FMC是由12台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存贮设备构成，具有适应加工多品种产品的灵活性。FMC可视为一个规模最小的（FMS），是FMS向廉价化及小型化方向发展和一种产物，其特点是实现单机柔性化及自动化，迄今已进入普及应用阶段。（3）柔性制造系统（FMS）通常包括4台或更多台全自动数控机床（加工中心与车削中心等），由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来，可在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工及管理。4、FMS的特点（1）制造柔性高FMS因内在的灵活性，能适应由于市场需求变化和工程设计变更所出现的变动进行多品种生产。

41、（2）设备利用率高占地面积少设备的利用率一般可达70以上。系统布局紧凑占地面积可减少20%-50%。（3）减少直接工时费用由于机床是在计算机控制下进行工作，不需工人去操纵。 （4）减少制品数量缩短生产准备时间在FMS中加工设备集中在一个很小的场地；各种工序集中在加工中心，减少了零件装夹次数和零件经过机床数目。 （5）维持生产能力强当一台或几台机床发生故障时，仍可降级运转。 （6）产品质量高而稳定FMS采用全自动化加工，减少人为因素，产品质量高而稳定。 （7）投资高风险大，开发周期长管理水平要求高。 图8-10 冲压FMS四、计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated M

42、anufacturing System）CIM是英文Computer Integrated Manufacturing的缩写，译为计算机集成制造，由美国的约瑟夫哈林顿(J.Harrington)博士于1973年提出。哈林顿认为：企业的各种生产经营活动是不可分割的，需要统一考虑；整个生产制造过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。哈林顿强调的两个观点都是信息时代组织、管理生产最基本、最重要的观点。CIM是信息时代组织、管理企业生产的一种哲理，是信息时代新型企业的一种生产模式。计算机集成制造系统 (Computer Integrated Manufacturing Systems) 是CIM

43、的具体实现。对于CIM和CIMS，至今还没有一个公认的定义。了解其内涵发展过程有助于加深对CIM和CIMS的理解。CIMS核心是人、技术和经营三大方面的集成【知识链接】CIMS应用实例1、CIMS在日本的应用20世纪80年代中期以来，日本加强CIM的应用开发，吸收美国提出的CIM思想，并在生产实践中合理而有效地应用，根据具体情况发展适用于日本企业的CIMS。一些大学和企业研究开发部门被纳入CIM重大共性问题的研究工作中。日本制造业企业是CIM的市场主体，各大企业基本上都已开始CIMS的开发与应用，有相当多的企业已比较成功地开发和应用了CIM技术。日本1989年末建成具有先进的CIMS的筑波电加

44、工机床装配工厂，此工厂是FANUC公司的CIMS试验工厂，为发展CIM产品提供实际考核环境。该公司提供计算机数控(CNC)、伺服系统和机器人等CIM单元技术产品。1990年开始提供符合MRP标准的单元控制器并与富士通公司(计算机及网络供应商)、富士电机公司(物流自动化设备供应商)合作为企业提供三级体系结构的整套CIM技术产品。2、CIMS在国内应用上海二纺机股份有限公司实施CIMS。该厂建于1923年，是全国生产纺织机械的大型骨干企业之一。主要产品有：细纱机：长丝、纺织机；染色机等。1990年公司提出搞CIMS，主要针对企业经营管理、工程设计、生产制造和质量管理方面存在的以下问题：（1）生产信

45、息量大，信息变化多，信息分散。（2）交货期长、新产品开发周期长。（3）设备利用率低，不易均衡生产。（4）质量管理实时性差。在实施CIMS过程中，切身体会到：如果没有采用计算机管理这些门类复杂、数量多、离散度大、规范性差的质量信息，那么传递速度很慢，真实性和实时性差，达不到质量问题的预防和控制。特别是对用户信息的采集、处理和反馈难以适应国内外市场对质量的要求。问题:CIMS是否只适用于机械制造业？这是CIMS的行业适用性问题。从CIM哲理看CIMS也适用于其他制造业。因为：（1）各种制造业都是物质生产的企业，各环节之间都是互相联系的，构成统一的整体；（2）各种制造过程都有物流过程、工作流过程，这

46、些过程都是信息采集、存储、加工处理的过程。因此，CIM哲理中的两个观点即信息观点和系统观点在其他制造业也是适用的。从市场竞争的需要来看，各行业都肩负着生产并研制新产品、满足市场需要的任务，都面临着激烈的市场竞争，都需要改善提高交货周期、产品质量、降低成本、提高服务水平等，以取得效益，赢得竞争。CIMS正是解决这些问题的有效途径。问题:CIMS是否只适用于大型企业？大型企业，中、小企业都需进行信息化和集成化，才能适应市场的竞争。一般说来，与大型企业相比，中小企业除规模小以外，多数还有以下一些特点：（1）产品相对简单，企业结构层次少，组织规章制度不一定十分健全；（2）与大企业有一定的附属关系，如为大企业进行零部件配套加工，副产品的加工等；（3）资金和技术力量相对薄弱等；（4）机制灵活，船小好调头。作为一个制造企业，其生产经营的各种功能都应基本具备，所谓“麻雀虽小、五脏俱全”，因此不仅可以实施CIMS，而且其系统功能构成与同行业的大企业应是类似的项目小结作为经济快速发展的一个重